充填型巖溶隧道仰坡滑塌機制及穩定性控制技術
——以宜賓巡場至玉和公路下壩隧道出口段為例

李國梁,胡偉鋒,劉 佳,李思翰,葉 飛,*,楊 永

(1.中交基礎設施養護集團有限公司,北京 100011; 2.長安大學公路學院,陜西 西安 710064)

0 引言

我國西南地區巖溶地層分布面積較廣,由于巖溶隧道圍巖周圍溶腔的隱蔽性,隧道施工發生坍塌、落石、掉塊危害的風險很大[1-3]。在隧道洞口段開挖過程中未揭露出的隱藏溶腔,若未能事前采取有效措施,在進洞過程中則容易引起邊仰坡失穩和洞內坍塌問題,嚴重威脅施工安全。

宋戰平等[4-5]研究了頂部既有溶腔對隧道位移和應力的影響,得出距離隧道一定范圍內的溶洞將增加隧道位移和拱頂拉應力值,邊墻應力集中程度有所降低;田榮生等[6]采用MIDAS GTS/NX軟件進行數值模擬分析,得出上覆溶洞水對隧道拱圈應力的影響不大,但對隧道變形影響較為顯著;陳秀雯等[7]對巖溶富水隧道坍塌機制開展數值分析,得出圍巖塑性區出現在上下臺階掌子面,上臺階腳隅處應力值最大是疲勞裂縫開展的主要誘因,初期支護應加強上、中臺階連接,防治溜塌;周曉松等[8]以云南玉磨鐵路巴羅鐵路二號隧道為例,研究富水巖溶區充填型溶腔隧道圍巖力學特性,提出采用超前管棚和注漿的措施對充填溶腔進行加固,可以避免塑性區聯通,有效控制圍巖變形;張成平等[9-10]基于高富水巖溶區圓梁山隧道面臨的涌突水、圍巖穩定和高水壓等技術難題,提出了復合注漿加固圈措施,對穩定工作面、堵水、降低襯砌外水壓有借鑒意義;馮國森[11]采用“洞砟回填+上部注漿”的方法,成功處治了黔張常鐵路高山隧道揭露的巨型溶洞;趙少忠等[12]分析了溶洞的發育特征,通過案例探討了針對不同位置溶洞的處置技術;方智淳等[13]設計了管棚+小導管注漿方案,對控制串珠型溶洞下隧道變形有良好的加固效果;師海等[14]提出非線性-尖點突變模型,合理描述了隧道與不同空間狀態下隱伏溶腔的安全距離。目前針對巖溶分布類型引起的隧道圍巖應力狀態變化以及各種巖溶災害的處治措施開展了大量研究[15-20],然而對于巖溶區隧道仰坡穩定性問題,以及上覆充填型溶腔對隧道進洞施工的影響缺少針對性研究。

本文依托宜賓巡場至玉和公路下壩隧道工程實際,通過現場調查和數值分析,針對充填型巖溶區隧道仰坡滑塌機制開展研究,繼而提出穩定性控制措施,以期為類似工程提供科學指導。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

下壩隧道起止里程為K12+825～K13+670,全長845 m。隧道斷面尺寸為8.26 m(凈高)×10.6 m(凈寬),凈空面積為101.13 m2。隧址區海拔高程為403～776 m,相對高差為373 m,屬溶蝕剝蝕低中山地貌,地形起伏較大,出口端依次與路基(長度為71 m)、橋梁連接。隧道出口段坡面下緩上陡,自然坡度下部為30°～40°,上部為50°～60°,地形起伏較大。洞口左側為大面積裸露基巖,坡面陡峭近乎直立,右側為溝谷,覆蓋層厚度不均。根據鉆孔及現場開挖揭示的隧道出口段(仰坡)地質情況見表1。表層為粉質黏土,厚度為1～2 m;下伏為灰巖區,溶蝕發育,存在溶蝕溝槽及石牙溶洞,溶腔內為碎石土填充;地表覆蓋層的孔隙度大,垂直滲透性強,雨季降水下滲到覆蓋層及下伏基巖節理裂隙中,迅速轉化為地下水。

表1 仰坡地質情況

隧道采用超前大管棚和環形開挖預留核心土法進洞,洞內支護結構見圖1,詳細支護參數見表2。洞口仰坡面采用傳統掛網錨噴進行防護,坡高9.0 m,坡率1∶0.5,為一級坡。

(a) 襯砌橫斷面

表2 支護結構參數

1.2 隧道洞口段失穩過程

隧道出口段在施工過程中發生了2次洞內坍塌,如圖2所示。第1次位于隧道出口K13+653處,坍塌量約為200 m3;第2次位于隧道出口K13+652處,坍塌量約為20 m3,坍塌體均為土夾石,土體含水量較大且松散。隧道掌子面頂部和右側拱腳圍巖為土夾石,其他部位為節理發育的強風化灰巖,第2次坍塌時開挖面有水侵入,且2次坍塌過程均伴有連續降雨。

(a) 第1次 (b) 第2次

隧道洞內發生第1次坍塌時,洞頂仰坡開始出現裂縫,裂縫寬度約為1.5 cm、長度約為3 m;第2次洞內坍塌時,仰坡下陷處增大,裂縫進一步發展,進而發展成為仰坡滑塌,仰坡整體處于欠穩定狀態,坡面病害治理迫在眉睫。

經現場調查,分析失穩原因為:1)隧道洞口段存在溶蝕凹腔,腔內填充碎石土,滲透性大,隨著連續降水不斷下滲,溶腔體飽水面積比不斷增大,孔隙水壓力增加,下滑力也隨之增大;2)隧道進洞施工擾動降低了仰坡體穩定性,上覆土與基巖之間的接觸力不斷減小,導致仰坡出現多次滑塌,如圖3所示。

(a) (b) (c)

2 仰坡滑塌機制

為了進一步探究隧道出口段仰坡體滑塌原因,沿坡體滑動方向建立二維數值計算模型,對仰坡體內部裂縫開展情況以及圍巖變形進行數值模擬。

2.1 二維數值計算模型的建立

利用Gmsh建立二維數值計算模型(見圖4),采用MultiFracS多物理場斷裂分析軟件進行數值模擬計算。模型長度為50 m,高度為85 m,洞口仰坡選擇最不利坡度50°～60°,溶腔寬度為5 m,溶腔下部貫穿隧道洞內,約隧道開挖高度的一半。網格劃分采用三角形平面應變單元,網格之間插入0厚度的節理單元,用于模擬土體的斷裂。模型兩側和底部施加法相約束,均為固定邊界,上部為自然地表。

圖4 數值計算模型(單位:m)

模擬地層按隧道實際穿越地層選取,表層為土層覆蓋,下部為灰巖。依據現場調查情況,隧道洞頂仰坡下陷發生在洞內坍塌位置的正上方,距離隧道出口20 m附近,洞內塌腔涌出的土夾石與仰坡體內的碎石土類似。由此判斷在隧道出口段K13+650附近存在充填型溶腔,溶腔貫通隧道掌子面及上方,內部充填松散碎石土。依據隧道詳勘報告及隧道仰坡處鉆孔試驗,同時根據現場邊坡的穩定性狀態并以實際的滑動位置進行反演,得到碎石土參數及地層主要物理力學指標,見表3。為了分析含水率和掘進距離對仰坡穩定性的影響規律,對模型進行地應力平衡后采用全斷面開挖,確定開挖進尺為1.5 m,循環18次結束并選取讀數。

表3 各土層主要物理力學指標

2.2 結果分析

通過數值模擬,得到不同含水率影響下隧道仰坡體裂縫發展和位移變化情況,計算結果如圖5所示。由圖可知:隨著含水率增加,仰坡體表層及隧道圍巖內部裂縫不斷發展,其中溶腔區周圍裂縫受含水率變化的影響最為顯著。以“掘進距離18 m”為例(見圖5(b)),當含水率增加至15%時,溶腔區左側邊界產生微裂隙,地表發生向下滑動;當含水率增加到20%時,溶腔區裂縫進一步發展,且局部出現張拉開裂,地表滑動持續增加,最大位移值為27 cm,發生在隧道拱頂上方。溶腔區裂縫發展過程和滑動范圍與現場實際情況較為吻合(現場隧道進洞20 m位置發生洞內冒頂塌方,地表仰坡出現滑塌),進一步驗證了連續降雨是隧道洞口仰坡滑塌和洞內坍塌的直接觸發因素。持續降水致使溶腔內的碎石土充填物抗剪強度發生變化[21],含水率的增加使碎石土中的土粒變軟,降低了粗粒之間的摩阻力,從而使內摩擦角減小;另外,硬結的粗粒浸濕后軟化,同樣降低了內摩擦角,溶腔區表現出更顯著的位移變化(圖5中所示的綠色柱狀區域)。因此,在仰坡段設立排水系統,或對松散充填物進行改良,以減少雨水下滲引起的地層軟化;同時,由于仰坡表層為土層覆蓋,下部為灰巖,分界面為薄弱層,建議調整錨索(或注漿錨管)長度,避免形成潛在貫通的滑移面[22-24]。

(a) 掘進距離9 m

此外,在含水率不變情況下,隨著掘進距離增加,仰坡體內部裂縫得以發展。裂縫主要分布在地層分界面及以上,當掘進距離為27 m時,仰坡體內部形成明顯的貫通裂縫,并延伸至坡頂,最終導致覆土滑坡解體破壞,見圖5(c)。受到開挖擾動的影響,洞周出現裂縫,沿隧道縱向拱頂處呈現不同程度的張拉開裂,最大位移量為55 cm,發生在隧道洞口拱頂上方,因此,隧道進洞期間應加強超前地質預報工作,優化開挖步序、增強超前支護,盡可能減少對不穩定地層的擾動[25]。

3 加固措施與效果評價

根據現場調查和數值分析結果,連續降雨是隧道洞口仰坡體裂縫開展、坡體滑塌的直接觸發因素。隧道出口段地質情況復雜,灰巖區溶蝕發育,存在溶蝕溝槽及石牙溶洞,溶腔內填充松散碎石土,使得地表水下滲而導致滑坡體巖土軟化、下滑力增大,從而發生滑塌[26]。因此,提出“先治坡、后開挖”的處治方案,并根據現場變形監測數據進行穩定性評價。

3.1 加固措施

隧道洞口仰坡滑塌后的處治,不僅要提高仰坡體的穩定性,還要兼顧隧道二次進洞以及長期運營過程中支護結構的穩定性。為此,經現場調查與成因分析,同時綜合考慮地形、地質條件、通風、排水及隧道出口端接線條件,為符合隧道洞口內外側各3 s設計速度行程長度范圍內平、縱面線形一致的規定,將原設計方案中的環框式洞門變更為設置洞門墻,并進行“洞口仰坡加固+洞內管棚延長”的隧道洞口綜合處治措施。

根據巖土性質和滑坡體裂縫開展情況,設置30 m長錨索,根據坡面抗剪要求,采用注漿鋼錨管代替錨桿和部分錨索,隧道洞口仰坡采取“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”的防護形式,具體防護措施如圖6所示。注漿鋼錨管結構適用于松散破碎、易塌陷地層邊坡,借助鋼錨管劈裂注漿能夠充填、擠密地層內部空隙和裂縫。與注漿錨桿相比較,注漿鋼錨管增大了注漿區域和漿液的密實效果,溶腔及其充填物在注漿作用下相當于圍巖再造,即對溶腔內充填物進行改良,避免碎石土在雨水下滲時發生變形解體破壞,鋼錨管可以提升淺表層地層強度[27]。此外,采用優化后的錨索提升坡體深層錨固段錨固力,與注漿鋼錨管的聯合使用不僅提高了邊坡巖土體整體強度指標,而且更為經濟合理。為了防止坡面清理過程中邊坡后部土體發生牽引式滑坡,在邊坡后緣及平臺處布設鋼管樁,坡面增設仰斜式排水管,仰坡沉陷范圍外設置截水溝。

圖6 隧道出口仰坡防護措施

隧道洞口段在原超前大管棚支護基礎上加長約15 m,對洞內塌方段及其影響段進行加強,洞內冒頂凹腔填充低強度混凝土,塌腔下部進行鋼花管注漿。

3.2 變形控制效果評價

隧道出口K13+600～+670為仰坡加固段,坡體采用“鋼錨管/錨索框架梁、鋼管樁”加固措施。在仰坡主動防護作用下,洞內按照原設計的環形開挖預留核心土法開挖進洞。隧道施工過程中對洞內變形、地表沉降進行了現場監測。

3.2.1 洞內變形

在隧道出口K13+645～+670段共設置了6個變形監測斷面,現場監測數據如圖7所示。仰坡加固前,斷面K13+670和K13+665拱頂沉降呈線形增加,最大沉降值分別為251.9、289.8 mm,上臺階(BC)水平收斂最大值分別為136.1、159.84 mm。仰坡加固后,斷面K13+670和K13+665洞內變形趨勢穩定,拱頂沉降變化值分別為23.78、23.09 mm,平均沉降速率分別為0.17、0.16 mm/d,上臺階(BC)水平收斂最大變化值分別為11.8、13.24 mm。斷面K13+660、K13+655、K13+650和K13+645在仰坡加固后,受隧道施工擾動作用出現小范圍變形,最大拱頂沉降值為80.59 mm,上臺階(BC)水平收斂最大值為39 mm;下臺階(DE)水平收斂值均較小,最大收斂值為3 mm,位于斷面K13+650,并且在開挖30 d后趨于平緩。依據規范[28],通過位移值判別隧道圍巖的穩定性,將隧道設計的預留變形量作為極限位移,并以2/3極限位移作為施工管理控制標準上線,仰坡加固后,洞內實測位移變化值均滿足規范要求,平均沉降速率小于0.2 mm/d,處于基本穩定階段。

(a) 拱頂沉降

3.2.2 地表沉降

選取隧道出口K13+621、K13+638、K13+653斷面處進行地表仰坡沉降監測,現場監測點布設情況如圖8所示,地表仰坡沉降監測結果見圖9。仰坡加固前,K13+621地表仰坡日均沉降變形量為10～33 mm,K13+638和K13+653地表日均最大沉降變化量為11 mm,沉降幅度較大,仰坡整體趨于失穩狀態。與數值計算中得到的掘進至27 m時出現貫通裂縫并導致覆土滑坡的結果進行比較,現場滑塌狀況更為嚴重,這主要歸因于現場更為復雜的地質條件。圖9中所示3個斷面在仰坡加固前的沉降監測均伴有持續降水作用,并且呈現不同程度的“仰坡滑塌”過程。仰坡加固后,地表沉降變化速率緩慢,最終沉降速率分別為0.09～0.14、0.11～0.19、0.03～0.15 mm/d,均小于0.2 mm/d,仰坡面基本穩定。

(a) K13+621斷面仰坡

上述監測結果表明,采取“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”仰坡主動防護措施后,隧道二次進洞施工中仰坡沉降變形緩慢并最終達到穩定狀態,隧道洞內變形得到了有效控制,保障了隧道順利進洞。

4 結論與討論

以下壩隧道出口段仰坡失穩為例,通過現場調查、數值分析、現場試驗,對充填型溶腔特殊地質條件下隧道仰坡變形破壞機制及加固措施開展研究,得到如下主要結論:

1)連續降水是該隧道出口段仰坡滑塌的直接觸發因素。受連續降雨雨水下滲作用,溶腔內碎石土抗剪強度降低,溶腔區位移變化顯著,溶腔與周圍巖體之間出現裂縫,腔內碎石土發生滑動,進而造成隧洞洞內冒頂塌方。仰坡體在無特殊加固措施下,受隧道開挖掘進擾動,仰坡體表層出現裂縫,隨著掘進距離的增加,地層分界面上形成貫通裂縫,并且延伸至坡頂。

2)本項目采用注漿鋼錨管替代錨桿和部分錨索,注漿鋼錨管增大了注漿區域和漿液密實效果,對溶腔內松散充填物進行注漿,相當于圍巖再造,即對地層進行改良可以提升地層強度。

3)結合現場監測數據,采用“緩坡+鋼錨管/錨索框架梁”的仰坡加固方案能夠有效控制地表沉降和洞內變形,加固后的仰坡在隧道二次進洞過程中處于穩定狀態。

本文研究目前僅考慮了含水率對碎石土工程性質的影響規律,然而含石量是決定碎石土抗剪強度的另一重要因素,因而有必要結合現場溶腔充填物的物質結構組成以及溶腔分布特征進一步研究仰坡的滑塌機制。此外,還需進行仰坡處治方案、隧道開挖步序、支護類型等方面的對比分析,以尋求更為經濟合理、可操作性更強的處治措施。